守恒法是高中化学计算的“利器”——以硝酸和金属反应的计算为例

沈绍波

(福建省浦城第一中学 353400)

守恒，现代汉语词典中解释为(数值)保持恒定.化学中的守恒指事物在运动变化过程中，物质和能量总是守恒的.具体表现在反应前后元素原子的种类和数目不变、电荷总数不变、得失电子相等……化学守恒法关注变化的始态和终态，不纠结过程细节，利用不变的量建立物质之间的比例关系，化繁为简，从而达到快速解题的目的.守恒法是中学化学既常见又经典的解题方法，是各种解题方法的基础，穿插在其它方法中同时使用，是高中化学计算的“利器”.

在高中化学计算题中，常考的守恒有以下几种.

一、元素守恒

元素守恒即化学反应前后各元素的种类不变，各元素的原子个数不变.原子守恒的涵义与元素守恒相似，即反应前后原子的种类和数目都不变，这也是反应前后质量不变(质量守恒)的根本原因.因此，也可以认为元素守恒包含了原子守恒，是质量守恒的根本原因.计算时经常通过找出关联物质的对应关系，列出关系式，列比例式求解.

(1)足量稀硝酸(以铜为例):

n(反应HNO3)=n(被还原HNO3)+n(未被还原HNO3)=n(NO) +2n(Cu2+)

(2)足量浓硝酸(以铜为例):

n(反应HNO3)=n(被还原HNO3)+n(未被还原HNO3)=n(NO2) +2n(Cu2+)

(3)一定量浓硝酸(以铜为例):

n(反应HNO3)=n(被还原HNO3)+n(未被还原HNO3)=n(NO2) +n(NO)+2n(Cu2+)

(4)未知浓度的硝酸(以铜为例):

n(反应HNO3)=n(被还原HNO3)+n(未被还原HNO3)=n(气体)+2n(Cu2+)

例119.2 g铜跟适量的浓硝酸反应,铜全部反应后,共收集到气体11.2L(标准状况),反应消耗的HNO3的物质的量是( ).

A.0.5mol B.0.8mol

C.1.1mol D.1.2mol

解析此题很容易掉入陷阱，认为气体只有NO2.铜跟浓硝酸反应过程分为两步：第一步是铜和浓硝酸反应产生NO2，第二步是浓硝酸反应过程中慢慢变稀，铜和稀硝酸反应产生NO，若用传统方法写出两个化学方程式，列出方程式求解很麻烦.若利用原子守恒n(反应HNO3)=n(被还原HNO3)+n(未被还原HNO3)=n(NO2)+n(NO)+2n(Cu2+)即可化繁为简，很快得出答案.

n(NO2) +n(NO)=11.4L/22.4L·mol-1=0.5 mol

n(Cu2+)=n(Cu)=19.2 g/64g ·mol-1=0.3mol

n(反应HNO3)=0.5+0.3×2=1.1 mol

故答案选C.

二、电子守恒

电子守恒即指在氧化还原反应中，氧化剂得到的电子数等于还原剂失去的电子数.电子守恒包括化合价守恒，即氧化剂化合价降低的总数等于还原剂化合价升高的总数.两者的基本性质是一样的.应用于氧化还原反应的计算，可求出参与氧化还原反应的物质的物质的量和质量等，也经常用于电解池中的计算.

硝酸与金属反应属于氧化还原反应，金属失去的电子数等于氮原子得到的电子数.

例2将14 g某铜银合金与足量的bmol·L-1的HNO3充分反应后，放出的气体与标准状况下的氧气1.12L混合，通入水中恰好完全被吸收，此合金铜的质量是( ).

A．3.2 g B．4.8 g C．6.4 g D．9.6 g

解析铜银都被硝酸氧化，因为浓度未知，生成气体未知，但是与氧气混合再通入水中完全吸收生成的一定是硝酸，故氧气得到的电子数等于铜银合金失去的电子数.

n(O2)=1.12L/22.4L ·mol-1=0.05 mol

根据质量守恒列方程：

n(Cu)×64+n(Ag)×108=14

根据电子守恒列方程：

n(Cu)×2+n(Ag)×1=0.05×4

列方程组解得：

n(Cu)=0.05 mol

n(Ag)=0.1 mol

m(Cu)=0.025×64=3.2g

故答案选A.

三、电荷守恒

电荷守恒即对任一溶液而言，溶液是电中性的，即阳离子所带正电荷等于阴离子所带负电荷，离子方程式两边离子所带电荷数相等.在计算时列出相应的等式求解，也可用于离子方程式的配平.

硝酸与金属反应溶液中存在电荷守恒：

若溶液呈酸性，n(OH-) 较少，忽略不计，则

A.0.5amol B.(a+0.2)mol

C.2amol D.(0.2-a)mol

故答案选B.

总之，守恒法是高中化学计算的“利器”，在解题时从大局出发，善于观察，化繁为简，巧妙答题，能降低计算的难度，提高计算的速度.因此，需要学生在解题过程中熟练掌握，才能在关键时候快速准确求解，提高解题效率.